Уверен, что многие из наших читателей знают о существования компании под названием. Koenigsegg. Но также мы уверены, что вы почти ничего не слышали о её дочерней фирме под названием FreeValve.
Если это действительно так, то добро пожаловать в мир высоких автотехнологий. Скандинавы разработали и претворяют в жизнь чрезвычайно интересный продукт, новый (это не преувеличение) тип двигателя в котором нет таких привычных для всех кто связан с автомобилями деталей, таких как распредвал двигателя.
Если взглянуть в прошлое, в 80-е года, топовой и самой продвинутой технологией стала система управления клапанами типа VTEC, 90-е года отличились разработкой и применением продвинутой системой впрыска топлива, чуть позже кульминацией развития прямого впрыска стали поздние 2000-е. Будущее за технологией FreeValve, "без системы распредвалов" приводящего клапаны в движение в ДВС. Но действительно ли это ? Давайте посмотрим вместе.
Как и любая другая технологическая революция, который должен (или обязан?) изменить расстановку сил в технологиях создания двигателей внутреннего сгорания. Основной принцип звучит просто и гениально, вместо определённой привязки к определенной, статической формуле, новая технология предлагает гибкость в процессе работы мотора.
Технологии изменяемого открытия клапанов существуют уже относительно давно, было сделано множество прототипов от разных автопроизводителей, существуют даже похожие серийные версии от BMW, но ни одна из них не может сравниться с возможностями, которые предлагает новый тип двигателя, разработанный скромной скандинавской компанией. Гениальность продвигаемой системы также не в последнюю очередь заключается в том, что она не подразумевает серьёзных изменений в конструкции самого двигателя. Тем не менее эта кажущаяся простота не помогла избежать FreeValve дороговизны и . Закон бизнеса, новинки стоят всегда немалых денег.
Мотор FreeValve на 30% мощнее, в два раза экологичнее и на 20-50% экономичнее обычного распредвального двигателя
Как и другие инженеры, сосредоточившиеся и изменяемой степени сжатия, а также изменяемого объёма, парни из FreeValve работали над тем, что называется топовой мировой технологией мотора, стоящей на острие атаки прогресса.
В ходе исследований, компания Koenigsegg выяснила, что технология привода клапанов имеет огромный потенциал развития, решение было логичным, разработать реальную систему, основанную на теоретическом опыте, таким образом для достижения амбициозных целей произошло объединение с дочерней компанией Cargine, впоследствии переименованной в FreeValve.
Вступление закончилось. Переходим к подробностям.
Давайте перейдем к изучению всех нюансов FreeValve технологии, которая не так давно была публично раскрыта для общественности.
В чем разница между системой без распредвалов и классической технологией привода клапанов
Из названия и описания технологии становится понятным, что речь действительно идет о двигателе, в котором отсутствуют распределительные валы. На самом деле необычный подход к инженерии внутримоторных технологий, главный секрет которых заключается в том, что двигателю не нужны эти валы, поскольку клапаны рассчитаны на индивидуальную работу, каждый по отдельности. Каждый клапан не связан жестко с соседними клапанами, отсюда проистекает название- «свободные клапаны», FreeValve.
Главная мысль заключается в том, чтобы работа двигателя внутреннего сгорания стала более эффективной во всех фазах работы. Стандартные распределительные валы ввиду заложенных в них конструктивных особенностей являются крайне компромиссными вариантами, что зачастую приводит к определенным «жертвам», повышенный расход топлива в угоду мощности или низкий крутящий момент на высоких оборотах в угоду пиковой мощности и т.д..
Двигатель может работать в четырех циклах: стандартный- Отто, сложный- Миллера и экономный-Аткинсона. Также двигатель способен воспроизводить цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия
Например, в двигателе с искровым зажиганием, (читайте, в бензиновом моторе) с установленным FreeValve можно смело снять , а экономичность даже у мощного бензинового двигателя станет сродни дизельному варианту.
В результате полученный силовой агрегат станет дешевле эквивалентного дизельного мотора, говорят в FreeValve. На дизельные двигатели также могут быть установлены новомодные электронные приводы клапанов, что в теории должно чуть снизить расход мотора и серьезно повысить экологичность его выхлопа.
Стоимость новой технологии. Если взять в расчет науку экономику, то получается, что первые 10- 100 тыс. двигателей, построенных по этой технологии, будут стоить дороже обычных типов силовых агрегатов, но в конечном итоге, когда производство будет поставлено на промышленный поток и при достижении определённой «критической массы», стоимость новых типов моторов начнет постепенно снижаться и в итоге сравняется со стоимостью стандартного ДВС.
При этом такие моторы будут более эффективными, чем традиционные модели, будут меньше расходовать горючего при увеличении мощности и станут показывать гораздо более приемлемые показатели полки крутящего момента.
Что произойдет, если система покажет себя несостоятельной?
Приверженцам классической схемы двигателей и тем людям, которые с опаской принимают все обновления и технических новшеств, наверное, интересно, насколько все будет плохо, при поломке новомодной системы. И вообще, а надежная ли она?
Отрицать глупо, любой, даже самый надежный девайс может выдать неприятную осечку, также не стоит забывать про конструктивные дефекты, которые могут быть не выявлены на начальном этапе разработки. Итог предсказуем, дорогая поломка. Но и здесь у FreeValve есть небольшой утешительный козырь в рукаве.
Невероятно, но этот двигатель сможет нормально выполнять свои рабочие функции даже при поломке одного или нескольких приводов клапанов, разумеется это скажется на пиковой мощности на высоких оборотах, но как уверяют разработчики, разница будет незначительна.
Предусмотрен аварийный вариант работы двигателя,заключается он в том, что даже если 75% приводов клапанов выйдут из строя, автомобиль сможет самостоятельно добраться до СТО, невероятная живучесть. Тестирования продолжаются..., но самое главное, чего разработчики все еще никак не могут побороть, это как раз выносливость такого типа привода. В нем все хорошо, но камень преткновения, состоит в том, что долго система не выхаживает. Однако это временное явление и его удастся нейтрализовать, ведь инженеры по теоретическим расчётам выяснили, надежность такой системы может быть сопоставима со стандартным двигателем ДВС. Смоделированы сотни-миллионов циклов работы приводов, ощутимого износа обнаружено не было. Осталось применить знания на практике и можно выезжать.
Шведская компания сравнивает текущую технологию распределительного вала, с игрой на пианино двумя руками, каждая из которых привязана к противоположным концам метлы. Использование каждого пальца по отдельности, как делают пианисты, позволит перейти к индивидуальному управлению клапанами.
Из вышесказанного можно сделать вывод:
1. На данный момент технология явно сырая. Двигатель не способен пройти столько же, сколько ходят без серьезных проблем моторы с обычной системой распредвалов.
2. Но даже на этом этапе разработки, система показала себя с лучшей стороны. Ни один мотор со стандартной системой газораспределения не способен хоть как-то нормально работать, если перестанут работать 75% клапанов (представим это гипотетически). Более того, перестань функционировать в нормальном режиме хотя бы один из клапанов на обычных ДВС, вы потеряете больше, чем пиковую мощность на высоких оборотах. То есть в плане поломок, если уж что-то произошло с ГРМ, скандинавская технология явно обходит все другие типы моторов.
Еще один плюс. На революционном двигателе, как утверждают инженеры, работающие над проектом, невозможна встреча клапанов с поршнями в случае обрыва ремня/растяжения цепи ведь ее здесь просто-напросто нет.
Технические нюансы. FreeValve- более, чем полностью изменяемые фазы газораспределения?
Если ответить кратко, по существу, то да, это больше чем двигатель с изменяемыми фазами газораспределения, потому что каждый конкретный клапан может иметь различные «подъемы», как по времени, так и в позиции открытия. Также он может открываться и закрываться с разной скоростью, изменяя частоту, за этим в онлайн режиме следит система бортовых компьютеров высчитывая необходимый режим хода клапана в соответствии с режимом работы двигателя с точностью подъема вплоть до 1/10 миллиметра.
Как видно приводы (актуаторы) способны делать это с необычайной точностью, значительно превосходя показатели работы в обычном двигателе.
Дизель с четырьмя турбинами, первый в мире мотор с электрическим нагнетателем и революционный агрегат, способный вдохнуть в ДВС новую жизнь: «Мотор» представляет обзор силовых установок с самыми нестандартными решениями, показанными за последние несколько месяцев.
С начала 2016 года нам показали впечатляющие своей конструкцией дизели для флагманской модели BMW и «заряженной» версии Audi Q7, малолитражный, но очень «умный» бензиновый мотор Volkswagen, «восьмерку» для новой «Панамеры» и необычный продукт совместной работы Koenigsegg и китайцев из фирмы Qoros.
Что общего у «семерки» BMW и суперкара Bugatti Veyron? Количество турбин в моторе! Этой весной баварский флагман получил новый дизельный агрегат: три литра рабочего объема, шесть цилиндров и четыре нагнетателя. Четыре! Это не только первый в истории серийный двигатель «на тяжелом топливе» с таким количеством турбин, но и мощнейшая дизельная «шестерка» в мире.
Двигатель развивает 400 лошадиных сил 760 Нм крутящего момента - на 19 сил и 20 Нм больше прежнего агрегата с тремя компрессорами. Мотор, работающий в паре с восьмиступенчатым «автоматом», позволяет «семерке» ускоряться с места до ста километров в час за 4,6 секунды (длиннобазный седан проделывает то же самое упражнение за 4,7 секунды) - на 0,3 секунды быстрее предшественника. Но наверняка в конструкцию этого мотора заложен куда больший потенциал.
Система многоступенчатого наддува этого мотора состоит из двух малоинерционных нагнетателей высокого давления, установленных в едином блоке, а также двух компактных компрессоров низкого давления. Все турбины включаются в работу последовательно, причем второй компрессор высокого давления задействуется только при резком ускорении и только на оборотах коленвала выше 2500 в минуту.
Новый агрегат получился чуть легче и тяговитее: первые 450 Нм крутящего момента доступны уже с 1000 оборотов в минуту, а на полку в 760 Нм мотор выходит в диапазоне от 2000 до 3000 оборотов в минуту.
Дополнительная турбина низкого давления позволила не только увеличить отдачу мотора, но и повысить топливную экономию на 11 процентов - до 5,7-5,9 литра на сто километров пробега.
Концерн Volkswagen на симпозиуме в Вене представил новую 1,5-литровую «турбочетверку», которая заменит нынешний наддувный агрегат объемом 1,4 литра. Главное новшество этого двигателя - турбина с изменяемой геометрией крыльчатки, которая впервые в мире появится на массовых моделях с ДВС с искровым зажиганием.
Компрессоры с изменяемой геометрией компании Peugeot, Citroen, Honda и Chrysler применяли еще в конце 1980-х годов, однако сейчас эта технология используется только на спорт- и суперкарах, вроде Porsche 911 Turbo, а также на новых турбированных «четверках» моделей 718 Cayman и 718 Boxster. Ну и в дизельных агрегатах, конечно же.
Особенность такого турбонагнетателя - кольцо со специальными направляющими лепестками, которые способны менять свой угол для оптимизации мощности турбины при конкретных нагрузках. Возможность изменения сечения увеличивает отдачу, улучшает отклик мотора и снижает уровень потребления топлива. Максимальный крутящий момент достигается при меньших оборотах и доступен в более широком диапазоне по сравнению с моторами с традиционным нагнетателем.
Одной из первых моделей, получивших двигатель с турбиной с изменяемой геометрией крыльчатки, стал мелкосериный хэтчбек Shelby CSX–VNT 1989 года
Новый 1,5-литровый агрегат будет предлагаться в двух вариантах мощности: 131 и 150 лошадиных сил. Пиковый крутящий момент базового мотора в 200 Нм достигается уже при 1300 оборотах в минуту и доступен вплоть до 4500 оборотов.
Еще одно новшество - этот мотор будет работать по циклу Миллера , в котором впускной клапан остается открытым еще на какое-то время в начале цикла сжатия и закрывается чуть позже, чем на стандартных двигателях. В результате геометрическая степень сжатия увеличилась с 10,5:1 у прежнего двигателя до 12,5:1.
Помимо этого, новая «четверка» получила систему деактивации цилиндров, которая отключает два из них при малых нагрузках, усовершенствованную систему впрыска топлива с повышенным до 350 бар давлением, полностью новую головку блока цилиндров и электронноуправляемую систему охлаждения.
«Дизельгейт» еще не успел отгреметь, а у Audi появилась новая 435-сильная четырехлитровая «восьмерка» с тройным наддувом, которая дебютировала на «заряженном» внедорожнике SQ7. Две традиционные турбины тут работают в паре с компрессором с электрическим приводом. Подобную схему применили на серийном автомобиле впервые.
Компрессор раскручивается 7-киловаттным (9,5 лошадиные силы) электрическим мотором, который разгоняет ротор до 70 тысяч оборотов всего за четверть секунды, позволяя избежать турбоямы. Электродвигатель запитан от отдельной электрической системы с напряжением 48 вольт и блоком литий-ионных аккумуляторов, расположенных под багажником «заряженного» кроссовера.
Сам четырехлитровый мотор V8 - тоже новый. Турбокомпрессоры тут расположены в развале блока цилиндров и работают по двухступенчатой схеме. На малых и средних оборотах система valvelift открывает один из двух выпускных клапанов в каждом цилиндре, раскручивая первую турбину. По мере увеличения нагрузки (2200-2700 оборотов в минуту) электроника открывает второй выпускной клапан, активизируется другой компрессор. Электрический нагнетатель работает в самом «низу».
В результате, четырехлитровый агрегат развивает 435 лошадиных сил, а максимальный крутящий момент в 900 Нм доступен в диапазоне 1000-3250 оборотов в минуту. Мотор, работающий вместе с восьмиступенчатым «автоматом», позволяет семиместному внедорожнику набирать «сотню» за 4,8 секунды. Максимальная скорость ограничена электроникой 250 километрами в час.
Новый мотор Audi в дальнейшем появится и на других моделях концерна Volkswagen, включая новую Porsche Panamera и Cayenne, а также дизельную модификацию Bentley Bentayga.
Еще один «глобальный» двигатель, который сначала дебютирует на Porsche Panamera Turbo и Cayenne Turbo следующего поколения, а впоследствии доберется и до моделей Audi, Bentley и даже Lamborghini. Это новейший четырехлитровый твин-турбо мотор V8, который придет на смену нынешней 4,8-литровой «турбо-восьмерке».
Уменьшение рабочего объема, помимо унификации с другими силовыми установками концерна Volkswagen, позволит флагманским моделям Porsche - Panamera Turbo и Cayenne Turbo - обойти повышенный налог на автомобили с моторами объемом свыше четырех литров, действующий в Китае.
В базовой версии новый двигатель будет развивать 550 лошадиных сил и 770 Нм крутящего момента, что на 30 сил и 70 Нм больше предыдущего агрегата 4.8. При этом в Porsche поговаривают, что на версиях Panamera Turbo S и Cayenne Turbo S он будет выдавать свыше 600 сил и 810 Нм.
Помимо высокой отдачи, новый мотор будет заметно эффективнее предыдущего. А значит, экономичнее. Ведь он получит систему деактивации половины цилиндров при малых нагрузках (в диапазоне от 950 до 3500 оборотов в минуту), что позволит на 30 процентов улучшить топливную экономию.
Твин-турбо «восьмерка» унифицирована с трехлитровым турбомотором V6, разработанным Audi, и создавалась с учетом ее применения как на модульной платформе MLB, так и на шасси MSB. Первая архитектура предназначена для машин с передним и полным приводом (читай, Audi A4, A5, A6 и производные, включая кроссоверы), а вторая - с приводом на задние или на все колеса (используется на больших моделях Porsche и Bentley).
Поэтому, помимо новых Panamera и Cayenne, четырехлитровый мотор пополнит линейку двигателей Audi A6, A8 и Q7 следующих поколений, а также двух моделей Bentley - Bentayga и Continental. Наконец, именно этим мотором, скорее всего, будет оснащаться и кроссовер Lamborghini Urus, который должен отнять у «Бентейги» звание «быстрейшего серийного внедорожника в мире».
Добросовестно работают на благо человека. Совершенствование моторов происходит постоянно. То конструкторы борются за увеличение мощности, то снижают массу двигателя. На развитие моторостроения оказывают влияние такие факторы, как перепады цен на нефть и ужесточение экологических норм. Несмотря на все эти сложности, являются основным источником энергии для автомобилей.
В последнее время появилось много новых разработок, которые направлены на совершенствование традиционных моторов. Некоторые их них находятся уже на стадии внедрения, другие новинки имеются только в виде опытных образцов. Однако пройдет немного времени и часть этих инноваций будут реализованы в новых машинах.
Лазеры вместо свечей зажигания
Еще недавно лазеры считались фантастическими приборами, о которых обычные люди узнавали из фильмов о марсианах. Но уже сегодня имеются разработки, направленные на замену лазерными устройствами. Традиционные свечи имеют один недостаток. Они не дают мощной искры, которая способна поджечь топливную смесь с большим количеством воздуха и малой концентрацией топлива. Повышение мощности приводило к быстрому износу электродов. Очень перспективно выглядит применение лазеров для воспламенения обедненной топливной смеси. Среди преимуществ лазерных свеч следует отметить возможность регулировки мощности и угла зажигания. Это позволит сразу не только повысить мощность двигателя, но сделать процесс сгорания более эффективным. Первые керамические лазерные приборы разработали инженеры в Японии. Они имеют диаметр 9 мм, что подходит для целого ряда автомобильных моторов. Новинка не потребует существенной доработки силовых агрегатов.Инновационные роторные двигатели
В ближайшем будущем из могут пропасть поршни, распредвалы, клапаны. Ученые Мичиганского университета работают над созданием принципиально новой конструкции автомобильного мотора. Силовой агрегат будет получать энергию под действием взрывных волн, поддерживающих движение.
Одной из основных деталей новой установки является ротор, в корпусе которого имеются радиальные каналы. При быстром вращении ротора топливная смесь проходит по каналам и мгновенно заполняет свободные отсеки. Конструкция позволяет заблокировать выходные порты, и горючая смесь не вытекает во время сжатия. Так как топливо попадает в отсеки очень быстро, происходит образование ударной волны. Она проталкивает порцию топливной смеси в центр, где происходит воспламенение, а затем и выхлоп отработанных газов.
Благодаря такому оригинальному решению исследователям удалось сократить потребление топлива на 60%. Снизилась и масса мотора, что привело к созданию легкого автомобиля (400 кг). Достоинством нового мотора будет и малое количество трущихся деталей, поэтому ресурс двигателя должен увеличиться.
Разработка Scuderi
Сотрудники компании Scuderi подготовили свою версию двигателя будущего. Он имеет два типа поршневых цилиндров, что позволяет более эффективно использовать образующуюся энергию.
Уникальность разработки заключается в соединении двух цилиндров при помощи перепускного канала. В результате один из поршней создает компрессию, а во втором цилиндре происходит воспламенение топливной смеси и выброс газов.Такой способ позволяет использовать экономнее выработанную энергию. Компьютерные модели показывают, что расход топлива в двигателе Scuderi будет меньше на 50%, чем у традиционных ДВС.
Двигатель с тепловым разделением
Повысить КПД двигателя Scuderi удалось благодаря тепловому разделению мотора на 2 части. В обычном четырехтактном двигателе остается нерешенной одна проблема. Разные такты лучше работают в определенных температурных диапазонах. Поэтому ученые решили разделить двигатель на два отсека и поставить между ними радиатор. Работа мотора будет происходить по следующей схеме. В холодных цилиндрах будет происходить впуск топливной смеси и ее сжатие. Таким образом достигается максимальная эффективность в холодных условиях. Процесс сгорания и выхлоп газов происходит в горячих цилиндрах. Предположительно данная технология обеспечит экономию топлива в пределах 20%. Ученые планируют доработать данный вид мотора и добиться 50%-ной экономии.Мотор Skyactiv-G от Mazda
Японская компания Мазда всегда стремилась создавать инновационные двигатели. Например, некоторые серийные автомобили оснащаются роторными силовыми агрегатами. Теперь конструкторы автоконцерна основательно занялись экономией топлива. Уже в следующем году планируется выпустить автомобиль с двигателем Skyactiv-G. Он будет первой моделью из семейства Skyactiv.
На малолитражной версии Mazda2 будет устанавливаться спортивный двигатель Skyactiv-G объемом 1,3 л. Распределять крутящий момент будет вариаторная коробка передач. Силовая установка отличается высокой степенью сжатия, благодаря чему достигается экономия топлива в пределах 15%. Разработчики утверждают, что средний расход бензина составит около 3л/100 км.
Оппозитными моторами комплектовали свои машины разные автопроизводители. Данная конструкция не лишена изъянов, над которыми инженеры продолжают работать. Как известно, в оппозитном двигателе цилиндры расположены горизонтально, и поршни перемещаются в противоположных направлениях.
Конструкторы EcoMotors разместили в каждом цилиндре по два поршня, которые направлены друг к другу. Коленчатый вал находится между цилиндрами, а для перемещения поршней в одном цилиндре используются шатуны разной длины. Такое расположение поршневой группы позволило снизить вес двигателя, так как не требуются массивные головки блока цилиндров. Существенно меньше и ход поршней в оппозитном агрегате, чем в традиционном бензиновом моторе.
По мнению инженеров EcoMotors, автомобиль с двигателем OPOC должен потреблять около 2 л бензина на 100 км пути.
Силовой агрегат Pinnacle
Еще одна перспективная разработка сделана на базе оппозитного двигателя. В моторе Pinnacle два поршня двигаются навстречу друг другу, находясь в одном цилиндре. Между ними и происходит воспламенение топливной смеси. Двигатель имеет два коленчатых вала и одинаковой длины шатуны. Данная конструкция позволяет получить колоссальную экономию энергии при низкой себестоимости силового агрегата. Предполагается, что эффективность бензинового двигателя удастся увеличить на 50%.
По всей планете ученые ищут новые подходы к созданию мощных, экономных и экологичных моделей ДВС. Отдельные разработки выглядят достаточно перспективно, у других будущее не такое безоблачное. Однако только время рассудит, кто будет купаться во славе, а чьи разработки попадут на пыльные полки архива.
Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе Детройтском автосалоне буквально били током, а любое упоминание о старом добром ДВС звучало дурным тоном. Так что же — двигатель внутреннего сгорания с треском накрылся капотом? Не спешите с соболезнованиями. По‑крайней мере там же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, когда ДВС, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Никогда! Когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».
Аналитики американского Департамента энергетики DOE считают, что ДВС может попыхтеть еще несколько десятилетий. Причем прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году может составить 30%, а к 2030-му — 50%. Технологии, которые помогут добиться этих результатов, тестируются уже сегодня.
Вездесущее пламя
В далеком 1978 году группа ученых японского института Clean Engine Research, пытавшихся оптимизировать процесс сгорания топлива в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необычный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание топливовоздушного заряда происходило без искры свечи зажигания. Но самое интересное — вместо привычного зажигания смеси около свечи и последующего распространения пламени на периферию в камере одновременно возникало огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем обычно, температуре, очень быстро и практически полностью. Имеющийся в то время математический аппарат и уровень развития термодинамики не позволили понять причины возникновения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 20 лет в арсенале инженеров появились мощные средства компьютерного моделирования, которые помогли приоткрыть завесу тайны над HCCI. Работы в этой области в конце 1990-х годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (General Motors).
Американский инженер Джон Заяц предложил собственную концепцию ДВС, близкую к двигателю с раздельным циклом Scuderi. Изобретатель утверждает, что его двигатель на 15% экономичнее дизеля и на 30% - бензинового аналога по мощности. В двигателе Заяца воздух из цилиндра сжатия попадает в камеру, в которой создается повышенное давление топливной смеси, на 40% больше обычного уровня для бензиновых моторов. Камера, её форма, принцип работы, дизайн и материалы для изготовления защищены 19 патентами. Воздух в ней смешивается с топливом и возгорается. Процесс сгорания смеси по времени намного продолжительней, чем в обычном ДВС. Внутри камеры создается особая среда — «горячая стена», которая является фактически аккумулятором энергии — неизменная температура и давление в ней сохраняются в 10−100 раз дольше, чем в камере сгорания обычного мотора. Затем раскаленные газы через специальный клапан попадают в рабочий цилиндр. Простота, минимимальное количество деталей и эффективность разработки Zajac Motors привлекли пристальное внимание автогигантов. В 2009 году у Заяца появились серьезные партнеры — General Motors и канадская Magna.
Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся горячие отработанные газы. Они быстро разогревают этот коктейль, облегчая его перемешивание внутри камеры. Если в условиях классического прямого впрыска топливо распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь представляет собой мельчайший туман. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, температура подскакивает до точки самовоспламенения. Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95−97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает — ему нужны почти гомеопатические доли топлива, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.
Тем не менее отработанная технология HCCI — пока еще дело будущего. Термодинамика процесса чрезвычайно сложна и требует от ученых решения массы проблем. Главные из них — неустойчивая работа на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного облака в камере. Правда, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще регулярно. Специалисты General Motors сообщают, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году. У Volkswagen подход более осторожный — компания разрабатывает новый двигатель, работающий с использованием свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов — в режиме HCCI. Инженеры Nissan также не стоят на месте — недавно они объявили о создании мощного софта, позволяющего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работать над собственным супердвигателем.
Разделение труда
В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал в своем доме все семейство и торжественно сообщил, что разработал ДВС нового типа, который перевернет мир. Детальное описание технологии поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все свои расчеты делал на логарифмической линейке. В 2002 году Кармело, только начав консультации с учеными Университета Саутвест, умер от инфаркта. Дело отца взяли в свои руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с разделенным циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте. Надо сказать, что концепция разделенного цикла не нова. Еще в 1891 году американская компания Backus Water Motor Company выпускала малыми сериями такие моторы, но они не получили распространения, и идея сто лет пролежала на полке.
В двигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности по‑братски делятся между парными цилиндрами: один предназначен для впуска и сжатия, другой — для рабочего такта и выпуска отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери состоит из двух таких пар.
В цикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.
В камере сгорания двигателя с системой HCCI (Homogeneous charge compression ignition) одновременно возникает огромное количество микроочагов возгорания. Экологические характеристики HCCI впечатляют. Если процесс сгорания солярки в дизельных двигателях вызывает повышенное образование сажи и окисей азота, то более «холодному» HCCI эти болячки неведомы. По словам Херманна Миддендорфа, руководителя проекта по разработке суперкомпактных бензиновых моторов EA111 компании Volkswagen, агрегаты типа HCCI смогут обойтись без дорогостоящего катализатора.
Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздух поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси. При этом отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у традиционных четырехтактников. КПД мотора Скудери на 5−10% выше, чем у самых продвинутых современных дизельных турбоагрегатов. Добавление наддува увеличивает разрыв по КПД до 25−50%.
В 2008 году двигатель SCC привлек внимание нескольких крупных автопроизводителей, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, которые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной технологии. Немецкий Daimler и итальянский Fiat также публично подтвердили высокий интерес к мотору Скудери. Компания Robert Bosch заключила контракт со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что однажды эта технология станет серийной. А выдающийся специалист по термодинамике из Массачусетского технологического института профессор Джон Хейвуд назвал разделенный цикл сгорания реальной альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих заводах несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не требуется.
Всеядный двухтактник
Многие специалисты по ДВС сегодня делают ставку на механизм изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Еще в марте 2000-го инженеры Saab представили прототип автомобиля с экспериментальным бензиновым двигателем 1,6 л с технологией SVC (Saab Variable Compression). Этот мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н м крутящего момента, потребляя при этом на 30% меньше топлива, чем обычные аналоги по мощности.
За прошедшие десять лет технология VCR сделала огромный шаг вперед. Французская компания MCE объявила недавно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход топлива 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов. Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора составляет 300 л.с.- почти 162 л.с. на 1л объема. Расчетный максимальный крутящий момент превышает 400 Н м при 4000 оборотах вала. Ключевой элемент конструкции — гидравлический актуатор, который поворачивает эксцентрик, связанный с коленвалом двигателя. Качание эксцентрика поднимает и опускает вал относительно головки блока цилиндров, изменяя степень сжатия от 8,5 до 18:1.
Дальше всех в разработке технологии VCR продвинулась знаменитая Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года британцы представили свой концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым впрыском топлива и изменяемой степенью сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое топливо и при этом экономичен и экологически чист.
Пять тактов, три циллиндра
На выставке Engine EXPO 2009 британская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС. Идея автора концепции Герхарда Шмитца заключается в использовании четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют разный внутренний диаметр. Маленькие первый и третий работают по обычному четырехтактному циклу. Средний, низкого давления, — на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме.
Во время первых трех тактов смесь, как обычно, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выхлопа в большом цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.
Omnivore — это моноблок с цельнолитыми блоком и головкой. Рабочий объем мотора — всего 0,5 л. Одно из главных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В обычных ДВС износ происходит из-за микронных движений болтов в местах крепления головки к блоку. Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте позволяет варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Система впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital. Она позволяет готовить сбалансированную смесь внутри цилиндра независимо от вида топлива. Такая смесь является базовой для режима HCCI, а система управления впрыском — основой для управления параметрами HCCI.
Механизм изменения степени сжатия Omnivore представляет собой подвижную шайбу в верхней части цилиндра, движущуюся за счет вращения пары эксцентриков. В нижней позиции шайбы степень сжатия достигает 40:1. В шайбу интегрирован один из инжекторов FlexDI, а второй, неподвижный, встроен в корпус цилиндра. Испытания продемонстрировали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, при этом он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.
Почему британцы взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, долго придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов. Проблема таких ДВС — неэффективное сжигание топлива на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому крайне интересны для автоиндустрии. Кроме того, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, главный инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.
В основу концепции двигателя, придуманного Кармело Скудери, американским автомехаником-самоучкой, положен принцип разделения цилиндров на рабочие и вспомогательные. В отличие от схемы Отто, в двигателе с разделенным циклом SCC (Split-Cycle Combustion) на каждый оборот вала приходится один рабочий такт. Вспомогательные цилиндры, в которых поршень сжимает воздух, соединяются с основными через перепускные каналы. В каждом из каналов находится по два клапана — компрессионный и расширительный. В пространстве между ними воздух достигает максимального уровня сжатия. Впрыск топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра происходит одновременно с открытием расширительного клапана, а зажигание — после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Волна газов как бы догоняет его, исключая детонацию смеси. В ходе виртуальных испытаний рядного прототипа двигателя Скудери было выявлено, что он очень стабилен. Коэффициент отклонения параметров рабочих тактов от средней величины в наиболее «проблемной» зоне оборотов — от холостых до полутора тысяч — у SCC почти вдвое ниже, чем у ДВС Отто: 1,4% против 2,5. На первый взгляд это немного, но для профессионалов разница огромна. Данный показатель говорит об очень высоком качестве смеси и точнейшей ее дозировке. Безнаддувный четырехцилиндровый рядный двигатель Скудери на 25% экономичнее обычных аналогов по мощности, а его оригинальная гибридизированная версия Scuderi Air-Hybrid — на 30−36%. В Air-Hybrid предварительное сжатие воздуха в пневматическом аккумуляторе-ресивере происходит во время торможения автомобиля. Затем воздух подается в перепускной канал, снижая нагрузку на поршень вспомогательного цилиндра.
Двигатель Скундери. Производство двигателей системы Кармело Скудери можно легко организовать на любом моторостроительном предприятии с использованием традиционных узлов. Но нужно ли это производителям?..
В 2011 году компанией будет представлен двигатель второго поколения с V-образной архитектурой, в котором перепускные каналы будут сделаны в виде отдельных модулей. В первой версии — с цельнолитой головкой — они находились в стенке между парами цилиндров. V-образная схема позволяет улучшить доступ к ним со стороны ресивера и обеспечить более эффективное охлаждение узла. По прогнозам ученых научно-исследовательского института Саутвест, которые вплотную занимаются доводкой виртуальной модели рядного двигателя, разница в КПД между такой «четверкой» и равносильным мотором Отто достигнет 50%. Небольшой вес, отличная удельная мощность (135 л.с. на литр объема) и технологическая простота SCC делают его весьма перспективным для внедрения в жизнь. Известно, что пристальный интерес к нему проявляют сразу несколько игроков высшей лиги мирового автопрома, а также производители комплектующих. В частности, знаменитая компания Robert Bosch. Президент Scuderi Group Сэл Скудери уверен, что уже через три года детище его отца пойдет в серию.
Вряд ли Lotus Omnivore когда-либо станет основным силовым агрегатом для автомобиля. Но в качестве вспомогательного — например, генератора — он вполне подходит.
Lotus Omnivore
Кто сказал, что два такта остались в прошлом? Инженеры Lotus Engineering считают, что потенциал двухтактных движков серьезно недооценен автопроизводителями, а прожорливость — всего лишь миф. Они прогнозируют их триумфальное возвращение в 2013 году под капоты серийных автомобилей. В 2009 году в Женеве компания представила концептуальный 500-кубовый двигатель Omnivore, работающий на любом виде жидкого топлива. Моторчик блещет сразу несколькими инновационными технологиями, главная из которых - изменяемая степень сжатия при помощи подвижной верхней стенки камеры сгорания. В зависимости от вида топлива и нагрузки сжатие в Omnivore может изменяться в диапазоне от 10 до 40 к одному. Приготовление сбалансированной топливовоздушной смеси обеспечивает система прямого впрыска Orbital FlexDI с двумя инжекторами, а параметрами отвода отработанных газов управляет патентованный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve). Похоже, британцам удалось то, к чему стремятся все разработчики инновационных ДВС: в цикле стендовых испытаний Omnivore уверенно поддерживал режим сгорания HCCI даже на оборотах холостого хода и в «красной зоне». Конструкция Omnivore замечательна еще и тем, что его блок и головка отлиты в одной цельной детали.
Ecomotors OPOC. Одним из основных преимуществ конструкции профессора Хоффбауэра является возможность «надевать» на коленвал всё новые и новые пары цилиндров, получая нечто вроде модульного двигателя.
Согласно спецификации, концепт на 10% экономичнее атмосферных бензиновых двигателей равной мощности, а по чистоте выхлопа легко дотягивает до нормативов Евро-6. Если Lotus сможет заинтересовать автопроизводителей, то потомки концептуального Omnivore станут первыми кандидатами на роль бортовых генераторов для электрогибридов. Для этого у них есть всё: неприхотливость, предельная компактность и высокая энергоемкость.
Ecomotors OPOC
Среди компаний, пытающихся отправить классический ДВС на свалку, американская Ecomotors стоит особняком не только из-за экстравагантности своих идей. Работу над сверхмощным оппозитным двигателем OPOC благословили титан венчурного бизнеса Винод Хосла и миллиардер Билл Гейтс. В совет директоров крохотной компании входит несколько персон, имена которых служат пропуском в закрытый клуб автопроизводителей, а стенды Ecomotors стали привычными на самых элитных мировых автосалонах.
Оппозитный двухтактный двухцилиндровый модульный ДВС под названием OPOC был придуман еще в конце 1990-х годов профессором Петером Хоффбауэром, долгое время работавшим главным мотористом в компании Volkswagen. Суперкомпактный дизель Хоффбауэра демонстрирует беспрецедентно высокую удельную мощность порядка 3 л.с. на килограмм массы. Например, стокилограммовая «труба» выдает 325 л.с. и 900 Нм крутящего момента. При этом КПД OPOC вплотную приближается к 60%, вдвое выигрывая у современных дизельных моторов со сложным наддувом. Одна из главных «фишек» этого оппозитника — возможность составлять из отдельных модулей, каждый из которых является полноценным двигателем, силовые установки рядной 4-, 6- и 8-цилиндровой конфигурации. Парадоксально, но при всей своей заряженности OPOC работает на довольно скромных степенях сжатия в пределах 15−16 к одному и не требует специальной подготовки топлива.
В принципе OPOC — это труба с двумя парами поршней, совершающими одновременные разнонаправленные движения. Пространство между парой — камера сгорания. Шатуны с необычно длинной ножкой соединяют поршни с центральным коленчатым валом. В центре камеры установлена форсунка системы впрыска, а впускные и выпускные порты расположены в области нижней мертвой точки центральных поршней. Порты заменяют сложный клапанный механизм и распредвал. Важный элемент конструкции — электрический турбонагнетатель с предварительным подогревом воздуха, заменяющий, в частности, привычные калильные свечи. В момент запуска турбина подает в камеру сгорания заряд сжатого воздуха, нагретого до 100 °C.
IRIS. Основной «фишкой» конструкции двигателя Iris является высокая полезная площадь «поршней"-лепестков. Неподвижные стенки занимают всего 30% от общей площади камеры сгорания, что позволяет заметно повысить КПД двигателя.
По словам президента компании Дональда Ранкла, бывшего вице-президента General Motors, в настоящее время в собственном техцентре Ecomotors проводятся стендовые испытания шестого поколения двигателя, которые завершатся в начале 2012 года. И это будет уже не очередной рабочий прототип, а агрегат, предназначенный для конвейера. Впрочем, интерес к разработке имеется не только у автомобилистов, но и у военных, производителей авиатехники, строителей и горняков. Запланировано производство сразу четырех типов модулей OPOC с диаметрами поршня 30, 65, 75 и 100 мм.
IRIS
Для многих людей наблюдение за причудливо движущимися, вращающимися и пульсирующими механизмами успешно заменяет таблетки от стресса.
Завораживающее глаз детище ученого, изобретателя и предпринимателя из Денвера Тимбера Дика, трагически погибшего в автокатастрофе в 2008 году, можно отнести к гомеопатическим средствам этой категории. Но двигатель внутреннего сгорания IRIS (Internally Radiating Impulse Structure), несмотря на всю свою оригинальность, вовсе не пустышка. Защищенный со всех сторон патентами, он был отмечен премиями за инновации от NASA, нефтяной корпорации ConocoPhillips и химического гиганта Dow Chemical. Двухтактный ДВС с изменяемой геометрией и площадью поршня, согласно расчетам, имеет КПД 45%, компактные размеры и малый вес. Кроме того, в случае принятия его на вооружение автопроизводителями покупателю не придется переплачивать — цена агрегата будет не выше, чем у обычных бензиновых моторов.
РЛДВС. Отличием роторно-лопастного двигателя от всех остальных, упомянутых в материале, является то, что он находится в считанных миллиметрах от серийного производства. На 2011 год намечены испытания российского «ё-мобиля» с подобным двигателем, а с 2012 года — и серия.
Как считал Дик, в стандартной паре «камера сгорания — рабочая поверхность поршня» самым слабым местом является постоянная площадь контакта. На головку приходится всего 25% общей площади камеры. В концепции IRIS шесть поршней, представляющих собой стальные, изогнутые волной лепестки, имеют полезную площадь почти в три раза больше - неподвижные стенки камеры занимают лишь 30% площади.
Воздух поступает в камеру сгорания через впускные клапаны, когда лепестки находятся на максимальном удалении от центра. Одновременно через открытые выпускные клапаны удаляется отработанный газ. Затем лепестки, колеблющиеся на валах, смыкаются к середине камеры, сжимая воздух. В момент максимального сближения при полностью закрытых клапанах происходит впрыск топлива и зажигание. Расширяясь, раскаленные газы раздвигают лепестки-поршни, что, в свою очередь, приводит к повороту валов. В верхней мертвой точке открываются выпускные клапаны. Затем все повторяется снова и снова. Довольно простой редуктор превращает колебание шести валов во вращение главного вала.
Российский роторно-лопастной
Роторно-лопастной двигатель (РЛДВС) — это вовсе не разработка XXI века. Его конструкцию придумали еще в 1930-х, и с тех пор не проходило и десятилетия без появления очередного патента на новый РЛД. Самым известным был, пожалуй, двигатель Вигриянова, созданный в 1973 году. Но попадать в серию РЛД никак не хотели. Основной проблемой была сложность синхронизации валов роторов и тем более снятия с них момента — во времена слабого развития электроники синхронизатор занимал чуть ли не целую комнату; РЛД мог использоваться разве что в качестве стационарной силовой установки. Это сводило на нет одно из его главнейших преимуществ — компактность и небольшой вес.
РЛД — это цилиндр, внутри которого на одной оси установлены два ротора, с парой лопастей каждый. Лопасти делят пространство цилиндра на рабочие камеры; в каждой совершается четыре рабочих такта за один оборот вала. Сложность синхронизации обусловлена в первую очередь неравномерным движением роторов друг относительно друга, их «пульсацией».
Но как только на свет появился компактный и удобный механизм синхронизации, РЛД сразу обрел серьезную серийную перспективу. Самое интересное и приятное, что разработали такой механизм в России, в рамках нашумевшего проекта «ё-мобиль». Энергоустановка «ё-мобиля» весит всего 55 кг (35 — двигатель с синхронизатором, 20 — электрогенератор), а мощность может выдавать порядка 100 кВт, хотя для серийных моделей ее ограничат 45 кВт (60 л.с.). Помимо компактности, РЛД характеризуется возможностью масштабирования. Его можно спокойно увеличивать в размерах вплоть до малого судового двигателя мощностью 1000 кВт. Энерговооруженность силовой установки «ё-мобиля» аналогична двухлитровому 150-сильному ДВС традиционной компоновки.